表面應力效應調控鈀納米晶二氧化碳電催化還原性能

包信和

表面應力效應調控鈀納米晶二氧化碳電催化還原性能

包信和

(中國科學院大連化學物理研究所，催化基礎國家重點實驗室，遼寧 大連116023)

目前，與人們日常生活密切相關的液體燃料、化學品、電和熱等主要依賴石油、煤和天然氣等化石能源經過工業(yè)煉制或高效燃燒等過程轉化。在轉化過程中二氧化碳的大量排放對人們賴以生存的生態(tài)環(huán)境造成了嚴重威脅。電催化還原二氧化碳提供了一條將作為排放物的CO2高效轉變?yōu)楦咧祷瘜W品新途徑1。簡單地說，利用可再生電能或富余核電為能源，與電解水耦合從水中獲取氫，在比較溫和的反應條件一步直接獲得一氧化碳、碳氫化合物和甲醇等高值化學品和液體燃料，同時實現(xiàn)電能存儲和二氧化碳轉化。當前，

研制新型催化劑來降低過電勢和提高反應選擇性是二氧化碳電催化還原研究中極具挑戰(zhàn)性的熱點課題。

中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室和化學與材料科學學院曾杰教授課題組長期以來關注納米催化劑的結構設計與電催化性能研究，并取得了一系列進展2-4。近日，黃宏文等人與楊金龍教授5合作，在調控二氧化碳電催化還原性能方面取得重要進展。他們設計合成了鈀單晶八面體納米晶和孿晶二十面體納米晶的準模型催化體系，在保證兩者尺寸、表面晶面和表面包裹分子相同的情況下，研究了鈀納米晶表面應力與二氧化碳電催化還原性能之間的內在關聯(lián)。在－0.8 V(vs RHE)時，鈀孿晶二十面體納米晶上生成一氧化碳的法拉第效率達到91.1%，遠高于鈀單晶八面體納米晶(～50%)。通過分子動力學模擬、第一性原理計算以及電化學測試，發(fā)現(xiàn)表面拉伸應力提升了鈀孿晶二十面體納米晶的d帶中心，從而增強了催化劑表面二氧化碳的吸附和活化，顯著提高了二氧化碳電催化還原活性和選擇性。

該研究工作最近發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition期刊上5。該項結果很好地詮釋了催化劑表面結構與催化反應活性間的對應關系，進一步的研究將為充分認識納米催化劑的作用原理，以及設計高效催化劑提供堅實的理論基礎。

References

(1)Gao,D.;Zhou,H.;Wang,J.;Miao,S.;Yang,F.;Wang,G.;Wang, J.;Bao,X.J.Am.Chem.Soc.2015,137,4288.doi:10.1021/ jacs.5b00046

(2) Zhao,X.;Chen,S.;Fang,Z.;Ding,J.;Sang,W.;Wang,Y.;Zhao, J.;Peng,Z.;Zeng,J.J.Am.Chem.Soc.2015,137,2804.doi: 10.1021/ja511596c

(3) Zhou,S.;Miao,X.;Zhao,X.;Ma,C.;Qiu,Y.;Hu,Z.;Zhao,J.; Shi,L.;Zeng,J.Nat.Commun.2016,7,11510.doi:10.1038/ ncomms11510

(4) Zhao,X.;Zhang,H.;Yan,Y.;Cao,J.;Li,X.;Zhou,S.;Peng,Z.; Zeng,J.Angew.Chem.Int.Ed.2017,56,328.doi:10.1002/ anie.201609080

(5) Huang,H.;Jia,H.;Liu,Z.;Gao,P.;Zhao,J.;Luo,Z.;Yang,J.; Zeng,J.Angew.Chem.Int.Ed.2017,doi:10.1002/ anie.201612617

Surface Strain Effect Engineers the Catalytic Performance of Pd Nanocrystals in CO2Electrochemical Reduction

BAO Xin-He
(State Key Laboratory of Catalysis,Dalian Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Sciences,Dalian 116023, Liaoning Province,P.R.China)

10.3866/PKU.WHXB201703091